肖果

(湖南省有色地質(zhì)勘查局工程地質(zhì)總隊(duì)， 湖南 長(zhǎng)沙 410000)

隨著城市建設(shè)不斷推進(jìn)，地鐵線路越來(lái)越多，線路空間交錯(cuò)情況越來(lái)越復(fù)雜，其中新建隧道近距離下穿既有隧道的情況最為常見(jiàn)。下伏新建線路施工會(huì)擾動(dòng)周邊一定范圍內(nèi)土體，破壞土層結(jié)構(gòu)原有平衡，導(dǎo)致既有線路結(jié)構(gòu)產(chǎn)生附加內(nèi)力和位移，甚至影響既有隧道的正常使用。已有學(xué)者針對(duì)盾構(gòu)正交和斜交下穿既有隧道的情況進(jìn)行了研究，如康佐等以西安某盾構(gòu)隧道正交下穿既有隧道為背景，采用有限元軟件分析了既有隧道管片位移、內(nèi)力及地表沉降規(guī)律；楊成永等通過(guò)數(shù)值模擬結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)及盾構(gòu)施工參數(shù)，研究了盾構(gòu)隧道近距離下穿既有線路時(shí)既有隧道的沉降規(guī)律；賀雪來(lái)等通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)與數(shù)值模擬，證明了盾構(gòu)下穿工程采用MJS加固措施能顯著控制地面沉降和既有隧道變形；楊春山等以廣州某盾構(gòu)隧道工程為背景，建立盾構(gòu)下穿既有線數(shù)值計(jì)算模型，得到了盾構(gòu)掘進(jìn)對(duì)既有線路位移的影響規(guī)律；來(lái)弘鵬等針對(duì)新建隧道小角度斜下穿既有隧道工程，分析了土倉(cāng)壓力、注漿壓力、注漿量等施工參數(shù)對(duì)既有隧道的擾動(dòng)效應(yīng)。但鮮有研究分析下穿隧道的不同設(shè)計(jì)施工因素對(duì)既有隧道的擾動(dòng)效應(yīng)。該文以杭州某盾構(gòu)隧道下穿運(yùn)營(yíng)隧道為背景，采用有限差分軟件構(gòu)建數(shù)值計(jì)算模型，分析新建隧道在不同盾構(gòu)推力、與既有隧道間距、上部覆土厚度情況下盾構(gòu)施工對(duì)既有隧道的擾動(dòng)效應(yīng)。

1 工程概況

杭州某新建地鐵線路近距離盾構(gòu)下穿已運(yùn)營(yíng)地鐵隧道，兩隧道的位置關(guān)系見(jiàn)圖1。新建線路埋深20.6 m，與既有隧道距離僅2.1 m，為超近距離下穿工程。施工隧道結(jié)構(gòu)采用預(yù)制鋼筋砼管片，管片外徑6.4 m，厚度0.4 m，每環(huán)寬度1.2 m。隧道穿越區(qū)域內(nèi)地下水以上層滯水和承壓水為主，對(duì)隧道施工影響較小。區(qū)域內(nèi)主要地層自上而下依次為雜填土、砂質(zhì)粉土、粉砂、淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土，各地層的物理力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表1。既有隧道主要位于淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土中，這類土體強(qiáng)度低、壓縮性高，外界施工擾動(dòng)易造成土體承載強(qiáng)度下降，導(dǎo)致隧道產(chǎn)生變形，影響正常運(yùn)營(yíng)。因此，有必要分析新建隧道施工對(duì)既有線路的影響。

表1 土層的物理力學(xué)參數(shù)

圖1 兩隧道的位置關(guān)系(單位：m)

2 數(shù)值模擬計(jì)算

2.1 模型構(gòu)建

為減小邊界效應(yīng)對(duì)計(jì)算的影響，施工隧道左右兩側(cè)各取4倍洞徑，上部邊界至地表，下部深度取3倍洞徑；數(shù)值計(jì)算模型考慮新建隧道開挖過(guò)程，沿開挖方向取32環(huán)長(zhǎng)度，模型幾何尺寸長(zhǎng)、寬、高分別為49.6、38.4、44.8 m。對(duì)于盾構(gòu)隧道開挖模型，忽略其邊界位移影響，分別約束模型X、Y方向及底部位移。劃分網(wǎng)格時(shí)，隧道網(wǎng)格劃分密集，周邊土體劃分稀疏，以減少數(shù)值計(jì)算時(shí)間，模型共劃分56 780個(gè)單元(見(jiàn)圖2)。

圖2 數(shù)值計(jì)算模型(單位：m)

2.2 材料屬性

模型中所有土層服從Mohr-Coulomb準(zhǔn)則，物理力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表1。盾構(gòu)管片采用彈性模型實(shí)體單元模擬，模型計(jì)算中考慮到上部運(yùn)營(yíng)線路同步注漿加固效果，將既有隧道周邊0.3 m范圍內(nèi)土層強(qiáng)度提高1.2倍，模擬同步注漿的加固效果。而新建隧道注漿時(shí)間較短，加固效果暫未達(dá)到，考慮最不利情況，不考慮施工隧道的同步注漿加固效果。管片及注漿加固層參數(shù)見(jiàn)表2。

表2 管片及注漿加固層的材料屬性

2.3 數(shù)值計(jì)算過(guò)程

(1) 固定模型邊界，按照土層厚度賦予模型材料參數(shù)，在自重應(yīng)力作用下使計(jì)算模型達(dá)到初始應(yīng)力平衡。

(2) 將初始應(yīng)力平衡的位移歸零，同時(shí)將既有隧道土體一次性移除并賦予既有隧道管片參數(shù)，計(jì)算得到開挖既有隧道后的應(yīng)力及沉降分布。

(3) 只研究下伏隧道開挖對(duì)既有隧道的影響，不考慮1號(hào)線開挖所引起的沉降，將上一步計(jì)算得到的沉降歸零，隨后移除下伏新建隧道4環(huán)土體(模擬1 d的開挖工作量)，并賦予4環(huán)管片參數(shù)，在掌子面處施加盾構(gòu)推力p[推力大小由式(1)計(jì)算，p=(380±20) kPa，計(jì)算中p=380 kPa]并進(jìn)行計(jì)算，每開挖4環(huán)計(jì)算一次并記錄既有線隧道的位移及內(nèi)力分布情況，直到開挖完畢。

p=K0γ′H+pw±20 kPa

(1)

式中：K0為靜止土壓力系數(shù)；γ′為土的有效重度；H為隧道上覆土厚度(m)；pw為水壓力；20 kPa是波動(dòng)壓力。

2.4 測(cè)線布置

下伏新建隧道開挖主要引起既有隧道結(jié)構(gòu)產(chǎn)生豎向沉降及附加內(nèi)力，針對(duì)這一現(xiàn)象，沿既有隧道方向在隧道底板和拱頂處共布置38個(gè)沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)，其中SD-1～SD-19為拱頂測(cè)點(diǎn)，DB-1～DB-19為底板測(cè)點(diǎn)(見(jiàn)圖3)，同時(shí)通過(guò)編制fish語(yǔ)言監(jiān)測(cè)施工過(guò)程中既有隧道管片的最大內(nèi)力。

圖3 沉降及附加內(nèi)力測(cè)點(diǎn)布置

3 計(jì)算結(jié)果與分析

3.1 既有隧道沉降

數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果見(jiàn)圖4，開挖工況下變形曲線及隧底、拱底最大沉降曲線見(jiàn)圖5、圖6。

圖4 既有線隧道沉降云圖(單位：m)

由圖5、圖6可知：既有隧道沉降呈V形對(duì)稱分布，新建隧道掌子面未通過(guò)相交區(qū)域(開挖0～14環(huán))時(shí)，隧底向上隆起，最大隆起量0.36 mm。這是由于在新建隧道盾構(gòu)推力作用下，掌子面前方產(chǎn)生一個(gè)主動(dòng)破壞的楔形滑動(dòng)體，導(dǎo)致前方土體向上方產(chǎn)生移動(dòng)，引起既有隧道底部向上位移。新建隧道通過(guò)相交區(qū)域(開挖18～32環(huán))后，因施工線路土體損失，應(yīng)力釋放，既有隧道底板向下沉降，最大沉降量5.12 mm，既有線隧道主要沉降區(qū)域位于左右兩側(cè)10 m范圍，其余范圍沉降量較小，主要影響范圍內(nèi)隧道不均勻沉降達(dá)0.05%，超過(guò)CJJ/T 202-2013限值(<0.03%)，新建隧道施工前應(yīng)采取加固措施。

圖5 既有隧道各工況拱頂及隧底沉降曲線

圖6 既有隧道最大沉降變化曲線

3.2 既有隧道內(nèi)力

既有隧道應(yīng)力情況見(jiàn)圖7、圖8。

圖7 既有線隧道應(yīng)力變化云圖(單位：Pa)

圖8 既有隧道最大應(yīng)力變化曲線

從圖7可看出：新建隧道開挖未通過(guò)相交區(qū)域時(shí)，隧底的最大應(yīng)力維持在75～80 kPa；隧道掘進(jìn)通過(guò)后，隧底應(yīng)力降至50～60 kPa。與隧底沉降規(guī)律一致。

從圖8可看出：新建隧道開挖對(duì)既有隧道結(jié)構(gòu)內(nèi)力的影響較大，結(jié)構(gòu)內(nèi)部最大應(yīng)力由未開挖前的139.2 kPa增至開挖后的153.2 kPa，增幅約10%，可能對(duì)既有隧道內(nèi)部結(jié)構(gòu)產(chǎn)生破壞，應(yīng)采取相應(yīng)加固措施并加強(qiáng)對(duì)既有管片應(yīng)力監(jiān)測(cè)。

4 敏感性因素分析

為探究不同盾構(gòu)推力、新建隧道與既有隧道間距及新建隧道覆土厚度對(duì)既有隧道的擾動(dòng)大小，基于前文構(gòu)建的數(shù)值模型，分別修改這3個(gè)因素重新進(jìn)行計(jì)算。因篇幅有限，主要分析不同因素對(duì)既有隧道底板沉降的擾動(dòng)規(guī)律。

4.1 盾構(gòu)推力

前文數(shù)值計(jì)算模型中盾構(gòu)推力p=380 kPa，且存在20 kPa的波動(dòng)壓力未考慮。分別取盾構(gòu)推力p為360、370、380、390、400 kPa，分析既有隧道的沉降變化，結(jié)果見(jiàn)圖9。

圖9 不同盾構(gòu)推力沉降曲線

從圖9可看出：新建隧道開挖至12環(huán)時(shí)，既有隧道拱底隆起量隨著盾構(gòu)推力的增加而增大，且盾構(gòu)推力增減幅度一致情況下，增加推力導(dǎo)致的隆起效果更明顯；盾構(gòu)推力越大，既有隧道的最終沉降越小，但效果不明顯，主要原因可能是盾構(gòu)推力越大，對(duì)掌子面前方土體的擠壓作用越大，從而減小了應(yīng)力釋放導(dǎo)致的后續(xù)沉降。

4.2 與既有隧道的距離

原模型中，按照現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際設(shè)計(jì)布置，新建隧道與既有隧道的距離為2.1 m，該距離再減小的可能性較小。因此，重新構(gòu)建兩線距離為4.1、6.1、8.1 m的數(shù)值計(jì)算模型，分析既有隧道底板沉降的變化，結(jié)果見(jiàn)圖10。

圖10 不同兩線距離沉降曲線

從圖10可看出：兩線距離越大，施工導(dǎo)致的沉降越小；兩線距離小于1倍洞徑(<6.4 m)時(shí)，既有隧道沉降受兩線距離變化較敏感；大于1倍洞徑后，既有隧道沉降變化程度較小。

4.3 上層覆土厚度

原模型中新建隧道的覆土厚度為20.1 m，將上覆各土層按照厚度權(quán)重分別增加或減少相同比例，得到16.1、18.1、22.1、24.1 m覆土厚度模型，計(jì)算不同覆土情況下既有隧道沉降，結(jié)果見(jiàn)圖11。

圖11 不同覆土厚度沉降曲線

從圖11可看出：上覆厚度越大，既有隧道隆起和沉降越小。主要原因可能是土拱效應(yīng)作用，在軟土隧道中，隧道埋深越大，土拱效應(yīng)作用越充分，開挖導(dǎo)致的土體釋放荷載分?jǐn)偙壤酱螅扔兴淼澜Y(jié)構(gòu)所受荷載越小，從而減小了既有隧道的沉降。

5 結(jié)論

構(gòu)建新建隧道下穿既有隧道數(shù)值計(jì)算模型，分析下穿既有隧道的擾動(dòng)效應(yīng)，得到以下結(jié)論：1) 新建隧道下穿會(huì)對(duì)既有隧道結(jié)構(gòu)沉降和內(nèi)力產(chǎn)生較大影響，應(yīng)采取對(duì)應(yīng)加固措施進(jìn)行控制。2) 施工階段，既有隧道隆起隨盾構(gòu)推力增加而增大，最終沉降隨盾構(gòu)推力增加而減??；既有隧道隆起和沉降隨兩線距離的增加而減小，且在小于1倍洞徑時(shí)尤為顯著；覆土厚度變化改變了土拱效應(yīng)作用，厚度越大，土拱作用越明顯，既有隧道受到的擾動(dòng)荷載越小，沉降越小。

文中只構(gòu)建了正交下穿計(jì)算模型，未考慮新建隧道斜下穿的情況，同時(shí)未考慮新建隧道同步注漿壓力、盾殼摩阻力及盾殼空隙等因素對(duì)既有隧道結(jié)構(gòu)沉降及內(nèi)力的影響，有待進(jìn)一步完善。